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antriebstechnik 6/2022

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antriebstechnik 6/2022

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG REIBUNG VON ZYLINDERROLLEN- LAGERN UM 2/3 REDUZIERT – TEIL 2 Das Zylinderrollenlager mit stützrollengeführtem Käfig (SG-Lager) hat seit über 20 Jahren im harten Einsatz als Bahnmotorlager seinen tiefen Reibwert und seine Betriebssicherheit bewiesen. Trotzdem wurden die Ursachen für dieses Phänomen bisher nie wirklich untersucht. Der nachstehende Artikel zeigt, dank welcher Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten die tiefen Reibwerte erreicht werden. Teil 1 des wissenschaftlichen Artikels finden Sie in Ausgabe 05/2022 der antriebstechnik. 7. VERGLEICH KONVENTIONELLES LAGER/ SG-LAGER UND ANALYSE Im Bild 08 werden die Reibwertverläufe des konventionellen und des SG-Lagers sowie eines hydrodynamischen Gleitlagers mit normalen geometrischen Verhältnissen in Funktion der Umfangsgeschwindigkeit miteinander verglichen. Jede Kurve zeigt einen Verlauf mit konstanter Belastung. Die Kurven für die konventionellen Lager hören mit 8 kN Belastung bei n*dm 750.000 mm/min auf, weil mit diesem Lagertyp höhere Drehzahlen nicht möglich waren. Mit dem SG- Lager wurde mit dieser Belastung der Drehzahlkennwert von 1.000.000 problemlos erreicht, die 750.000 auch noch mit 12 kN. Sogar mit 18 kN wurde ein Versuch gefahren. Die oberen drei Kurven zeigen die Gesamt-Reibwerte des konventionellen Lagers bei 8 kN Belastung, und zwar: - Die Kurve A die Messwerte bei 8 kN Belastung - Die Kurve G die berechneten Werte gemäß Herstellerangaben - Die Kurve E die berechneten Werte aufgrund der Formel, die mit Berücksichtigung der Beschleunigungen ermittelt wurde Die mittleren drei Kurven stellen die geschwindigkeitsabhängigen Anteile der Reibwerte für das konventionelle Lager sowie für ein reines Gleitlager dar, und zwar: - Die Kurve F nach den Herstellerangaben für eine Viskosität ν von 16 mm 2 /s (siehe Formel 1 in Teil 1) - Die Kurve L nach der Formel auf Basis der Beschleunigungen (Formel 20). - Die Kurve J für ein hydrodynamisches Gleitlager mit normalen Verhältnissen Die Kurve H zeigt den lastabhängigen Reibanteil des konventionellen Lagers. Die Kurven B und C sowie der Punkt D zeigen die gemessenen Gesamt-Reibwerte des SG Lagers bei verschiedenen Belastungen, und zwar: - Kurve B mit 8 kN Belastung - Kurve C mit 12 kN Belastung - Punkt D mit 18 kN Belastung In diesem Bild zeigt sich: ■ Die Reibwerte des SG-Lagers sind um den Faktor 2.4 bis 3.5 tiefer als diejenigen des konventionellen Lagers. Die größte Differenz ergibt sich bei den hohen Drehzahlen. ■ Die Reibwerte des SG-Lagers sind über den ganzen Drehzahlbereich nahezu konstant (Kurven B und C). ■ Die gesamten Reibwerte des SG-Lagers sind mit rund 0.4 ‰ sogar tiefer als der lastabhängige Reibwert nach Katalogangaben (Kurven B und H). Das ist ein Hinweis darauf, dass die hysteresebedingten Verluste kleiner sind als die Werte, welche der entsprechenden Formel zugrunde liegen. ■ Der rechnerische drehzahlabhängige Reibwert des konventionellen Lagers (Kurve F) hat eine ähnliche Charakteristik wie das hydrodynamische Gleitlager (Kurve J). Achtung: Unterschiedliche Massstäbe. ■ Der Vergleich der Kurven gemäß Berechnung unter Berücksichtigung der zyklischen Beschleunigungen (Kurve E) mit 40 antriebstechnik 2022/06 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 08 Reibwertvergleich konventionelle Lager zu SG-Lager 2,4 Versuchslager NU316/NU316SG, dm = 125 mm C=200 kN 6 2,2 A: Konventionell G1 8kN Messwerte Reibwert Promille Wälzlager 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 B A F E C G J L H 5 4 3 2 1 Reibwert Promille Hydrodyn Gleitlager B: SG-Lager 8kN Messwerte C: SG-Lager 12 kN Messwerte D: SG-Lager 18kN Messwert E: Konvent. 8 kN Basis Beschleunigung F: konvent 8 kN v-Anteil mit nü = 16 G: Konvent. 8 kN gesamt berechnet mit Viskosität nü=16 H: Konventionell Lastanteil L: Konvent. 8 kN v-Anteil Basis Beschleunigung J: Hydrodyn. Gleitlager p = 10 N/ mm^2 0,2 0 D 0 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 1100000 Drehzahlkennwert n*dm [mm/min] derjenigen der Messresultate (Kurve A) zeigt eine gute Übereinstimmung. n Der drehzahlabhängige Reibwertanteil gemäß Formel auf Basis der Beschleunigung (Kurve L) entspricht recht gut dem drehzahlabhängigen Reibwertanteil auf Basis der Katalogformel (Kurve F). Ableitung der Formel siehe unten. n Der drehzahlabhängige Anteil beim konventionellen Lager (Kurve F) entspricht etwa der Reibwertdifferenz zwischen konventionellem und SG-Lager. Daraus lässt sich schliessen: Die drehzahlabhängigen Verluste des konventionellen Lagers sind weitgehend die Reibungsverluste, welche durch die spielbedingten zyklischen Drehzahlschwankungen verursacht werden. Aufgrund dieser Erkenntnisse wird eine Formel für das drehzahlabhängige Reibmoment entwickelt. Nachstehend dessen Ableitung. dm Mittlerer ∅ des Lagers dK Aussen-∅ des Käfigs eK Exzentrizität des Käfigs ψK relatives Führungsspiel nW Drehzahl der Welle nref Referenz-Wellendrehzahl, welche ein ndm von 600.000 mm/min ergibt nK Drehzahl des Käfigs (Näherung) ω Winkelgeschwindigkeit der Welle rK Mittlerer Berührungsradius Käfig-Rolle ωR Winkelgeschwindigkeit der Rolle µB Äquivalenter Reibwert aller Gleitstellen am Käfig µ0 Geschwindigkeitsabhängiger Reibwert des Lagers dR ∅ der Rolle mR Masse der Rolle JR Massenträgheitsmoment der Rolle MbR Beschleunigungsmoment für eine Rolle vUK Umfangsgeschwindigkeit des Käfigs am Aussen∅ vRS Umfangsgeschwindigkeit des Rollensatzes FuRS Tangential-Beschleunigungskraft pro Rolle νref Referenzviskosität νB Betriebsviskosität z Anzahl Rollen MbRS Moment um Wellenachse zum Beschleunigen des halben Rollensatzes Die Größen werden generell mit Einheiten eingegeben. Die Resultate müssen ggf. in gewünschte Einheiten umgerechnet werden. 7.1 BESCHLEUNIGUNG DES ROLLENSATZES IN SEINER LAUFBAHN Winkelgeschwindigkeit Käfig Umfangsgeschwindigkeit Rollensatz www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2022/06 41

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